智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油化工、精細(xì)化學(xué)、制藥、塑料、合成橡膠、涂料、食品加工等使用的反應(yīng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。更具體地說，涉及一種可以部分取代傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)反應(yīng)釜和反應(yīng)器，大幅降低土地、車間使用面積和設(shè)備投資，大幅提高安全與環(huán)保性能，大幅節(jié)能，大幅提高生產(chǎn)效率的智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油化工、精細(xì)化工，制藥、食品加工等生產(chǎn)領(lǐng)域中，對(duì)于液/液、氣/液、氣/固/液的均相、非均相常壓，高壓反應(yīng)，聚合反應(yīng)，通常要用到傳統(tǒng)攪拌和反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)。但攪拌器及反應(yīng)釜由于先天結(jié)構(gòu)原因，其傳質(zhì)阻力大，返混等現(xiàn)象難以克服，有時(shí)還需要增加溶劑使用量，造成整體反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，副產(chǎn)物增加，后處理分離困難及三廢處理量加大等弊病；同時(shí)，反應(yīng)釜的反應(yīng)熱能受結(jié)構(gòu)限制傳導(dǎo)困難，內(nèi)部受熱不均勻，特別是硝化、加氫、氧化等危險(xiǎn)工藝其中孕含的安全隱患更為突出。這是一個(gè)長(zhǎng)期以來難以解決的重大難題。
[0003]為此，長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外各種科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)行了大量的理論探討和實(shí)踐研究。除了某些工藝可以用到的固定床、流化床、塔板式反應(yīng)器之外，近些年來，國(guó)外公司逐步又推出了釜式串聯(lián)、大口徑管式靜態(tài)反應(yīng)器、回路反應(yīng)器和高通量-微通道連續(xù)流反應(yīng)器，逐步在將傳統(tǒng)間歇反應(yīng)向連續(xù)化生產(chǎn)工藝過渡和發(fā)展:
[0004]釜式串聯(lián)，是將兩個(gè)及兩個(gè)以上反應(yīng)釜串聯(lián)使用，使反應(yīng)液體在其轉(zhuǎn)移過程中逐級(jí)攪拌完成反應(yīng)，達(dá)到連續(xù)化生產(chǎn)的目的；此裝置易于形成返混和局部放熱、反應(yīng)不全的致命缺陷，工程造價(jià)及車間占地面積不菲；
[0005]大口徑管式靜態(tài)反應(yīng)器，是利用固定的，不裝或者裝填不同物理形態(tài)填料的管道，使反應(yīng)液體在其中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不同湍流而進(jìn)行反應(yīng)的連續(xù)化生產(chǎn)反應(yīng)器。其優(yōu)點(diǎn)是基本沒有返混現(xiàn)象，而造價(jià)與流量、長(zhǎng)度、占據(jù)空間成正比。為了能夠充分反應(yīng)，最長(zhǎng)的管式靜態(tài)反應(yīng)器可長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里；
[0006]回路反應(yīng)器是將液/液、氣/液、氣/固/液反應(yīng)的反應(yīng)液，通過文丘里噴射器將其吸入混合，再噴射于反應(yīng)器下部液面下，在液面內(nèi)充分混合，混合料液隨著回路反應(yīng)器底部循環(huán)栗進(jìn)入外置式列管換熱器進(jìn)行熱能交換，再返回到文丘里噴射器的入口端，與初始反應(yīng)料液混合后進(jìn)行再循環(huán)，形成環(huán)路反應(yīng)。而后一部分做為產(chǎn)物進(jìn)入后處理工序，另一部分繼續(xù)參與循環(huán)。這樣的反應(yīng)方式目前可適用于硝化等快速化學(xué)反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)是外接換熱器的換熱面積可以任意設(shè)置，而它的的缺陷也是顯而易見，不能一次性反應(yīng)完全，而且形成返混。造價(jià)昂貴；
[0007]康寧公司的高通量-微通道連續(xù)流反應(yīng)器，比以上的反應(yīng)器有顯著的優(yōu)點(diǎn):相應(yīng)流量的反應(yīng)液進(jìn)入反應(yīng)器，在內(nèi)部的心形通道模塊中進(jìn)行混合反應(yīng)，流體經(jīng)歷湍流細(xì)致混合的過程，幾乎沒有返混現(xiàn)象發(fā)生。反應(yīng)迅速、徹底，還可以減少甚至不使用溶劑，使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率、純度、收率大幅提高。由于其“三明治”夾層形態(tài)的矩形特殊結(jié)構(gòu)，反應(yīng)微循環(huán)通道兩面整體貼合于熱載體交換器，反應(yīng)熱會(huì)被即時(shí)移除。所以，該原理是目前化學(xué)反應(yīng)器中較為先進(jìn)的。但是，由于它采用特種玻璃、特種陶瓷或不銹鋼等材質(zhì)雕刻完成，加工工藝比較復(fù)雜，價(jià)格極為昂貴，加之原理所限而難以提高的流量，其連接材料和結(jié)構(gòu)所限還制約了它在高溫、高壓及中型以上規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的普及和應(yīng)用。
[0008]國(guó)內(nèi)外還有其他形式的各種微通道反應(yīng)器，但是成熟的，可以放大到數(shù)千噸/年流量以上的工業(yè)化微通道反應(yīng)器極為罕見。
[0009]綜上所述，在大型工業(yè)化生產(chǎn)中，如何減少化學(xué)反應(yīng)時(shí)的傳質(zhì)阻力，及時(shí)迅速傳導(dǎo)反應(yīng)熱能，縮短反應(yīng)時(shí)間，減少混流與副反應(yīng)，減少或免除溶劑使用，節(jié)能減排，增加收率，提高效率，安全可靠性高，環(huán)保清潔，大幅降低投資及運(yùn)行成本，使用一種效果顯著，切實(shí)可行，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于推廣的，能將傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)反應(yīng)釜或老式反應(yīng)器升級(jí)為智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器，是目前本領(lǐng)域技術(shù)和操作人員十分期待的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是通過在反應(yīng)管內(nèi)加裝三維微通道流體組件，配合高效熱能傳導(dǎo)裝置，以及相應(yīng)的前置、后置及傳感、測(cè)量、控制等外圍設(shè)備，成為一種高效實(shí)用的智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器。液/液、氣/液、氣/固/液均相或非均相反應(yīng)物，在通過其內(nèi)部反應(yīng)管時(shí)，管內(nèi)液態(tài)(或是裹挾粉末催化劑，或是裹挾細(xì)微氣泡)的物料，被管內(nèi)加裝的三維微通道組件分割為細(xì)小的微形通道，并在其中的微通道環(huán)境中產(chǎn)生強(qiáng)烈多變的分離、聚合、再分離的湍流和相互混合，大幅降低了反應(yīng)物料間的傳質(zhì)阻力。又由于三維微通道流體組件，將流體與金屬管壁間熱傳導(dǎo)交換面積大大增加，從而可以將反應(yīng)熱能通過載熱體和裝置迅速進(jìn)行傳導(dǎo)，精確控制各種反應(yīng)所需相應(yīng)溫度。對(duì)于某些需要高壓、超高壓，高溫、低溫、超低溫、強(qiáng)腐蝕條件下的特殊化學(xué)反應(yīng)，也可以通過反應(yīng)器材質(zhì)的選擇完全勝任。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)所需停留時(shí)間長(zhǎng)短選擇反應(yīng)管長(zhǎng)度，并根據(jù)流量選擇反應(yīng)器中反應(yīng)管的直徑和根數(shù)。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0012]智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器，包括:具有載熱體進(jìn)口和載熱體出口的殼體、原料入口、產(chǎn)物出口、封堵于殼體兩端處的封頭和用于供反應(yīng)物料反應(yīng)的反應(yīng)管，所述反應(yīng)管設(shè)置于殼體內(nèi)，所述反應(yīng)管的內(nèi)腔為管程，所述殼體與反應(yīng)管之間的腔體成為殼程，所述原料入口和產(chǎn)物出口與管程相連通，所述載熱體進(jìn)口和載熱體出口與殼程相連通，其特征在于:所述反應(yīng)管中緊密插裝有三維微通道組件，所述三維微通道組件的外表面與反應(yīng)管內(nèi)壁面之間形成有若干條始終貫通的um/mm級(jí)(微米或毫米級(jí))的微形通道。此處需要說明的是三維微通道組件與反應(yīng)管“緊密插裝”，是指液相反應(yīng)物料無法通過反應(yīng)管內(nèi)壁與三維微通道組件表面凹陷形成的微形通道以外的任何縫隙。
[0013]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述微形通道在三維微通道組件的外表面上凹陷地形成。
[0014]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述微形通道為彎曲的任意幾何圖案形狀。
[0015]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，各微形通道之間相連通。
[0016]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述三維微通道組件為內(nèi)柱或內(nèi)套管。
[0017]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述反應(yīng)管為直排反應(yīng)管或回轉(zhuǎn)反應(yīng)管，所述三維微通道組件的整體形狀與反應(yīng)管相配適。
[0018]本發(fā)明提供的智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器的使用方法為:將反應(yīng)所需液/液、氣/液、氣/固/液物料，用相應(yīng)壓力、揚(yáng)程的輸液栗、計(jì)量栗經(jīng)智能控制混合后分別打入智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器。進(jìn)入反應(yīng)管3后在通過三維微通道組件時(shí)，反應(yīng)物料無論流量大小均會(huì)被微形通道5分割為細(xì)小的(橫截面小)、劇烈地微通道湍流進(jìn)入微形通道5中，并相互反復(fù)充分混合、再分離、再混合。由于上述反應(yīng)中的微通道湍流橫截面極小，流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)換很快，因此傳質(zhì)阻力極低；同時(shí)，反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱能或者吸收熱能，甚至是十分劇烈地，而熱能會(huì)通過反應(yīng)管壁與殼程內(nèi)的熱載體進(jìn)行即時(shí)、迅速的交換。同時(shí)通過智能調(diào)整熱載體溫度、流量即可精確控制管程內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)溫度。液相反應(yīng)物料以微通道湍流形態(tài)經(jīng)過漫長(zhǎng)的微形通道5的路徑(一般為反應(yīng)管長(zhǎng)度的10倍以上)，匯集到反應(yīng)器的產(chǎn)物出口 9并流出，不會(huì)出現(xiàn)任何反應(yīng)物料再接觸初始原料的返混現(xiàn)象。
[0019]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述三維微通道組件為內(nèi)套管，內(nèi)套管的內(nèi)腔中流動(dòng)有載熱體。
[0020]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所有微形通道的路徑長(zhǎng)度相同。
[0021]本發(fā)明提供的智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器，通過在反應(yīng)管內(nèi)插裝三維微通道組件，有效減小了反應(yīng)物料的傳質(zhì)阻力，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了副反應(yīng)；同時(shí)，通過在反應(yīng)管內(nèi)插裝三維微通道組件，使得液相反應(yīng)物料在反應(yīng)管內(nèi)形成液膜，有利于反應(yīng)物料充分混合以及充分反應(yīng)；反應(yīng)過程中產(chǎn)生或所需的熱量通過殼體內(nèi)的熱載體與反應(yīng)管進(jìn)行即時(shí)熱交換，有效提高了傳熱效率。它具有如下優(yōu)點(diǎn):大幅降低了反應(yīng)物料間的傳質(zhì)阻力，可及時(shí)迅速傳導(dǎo)反應(yīng)熱能，縮短反應(yīng)時(shí)間，減少返混與副反應(yīng)，減少或免除溶劑使用，節(jié)能減排，增加收率，提高生產(chǎn)效率，安全可靠性高，環(huán)保清潔，能夠大幅地降低投資及運(yùn)行成本。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一種實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖引伸獲得其它的實(shí)施附圖。
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器的反應(yīng)管的一種局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖(三維微通道組件未剖切)；
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器的反應(yīng)管的另一種局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖(三維微通道組件未剖切)；
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0027]如圖1和圖2所示智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器，智能工業(yè)化微通道連續(xù)反應(yīng)器，包括:具有載熱體進(jìn)口 6和載熱體出口 7的殼體1、原料入口 8、產(chǎn)物出口 9、封堵于殼體兩端處的封頭2和用于供反應(yīng)物料反應(yīng)的反應(yīng)管3，所述反應(yīng)管設(shè)置于殼體內(nèi)，所述反應(yīng)管3的內(nèi)腔為管程，所述殼體I與反應(yīng)管3之間的腔體成為殼程，所述原料入口 8和產(chǎn)物出口 9與管程相連通，所述載熱體進(jìn)口 6和載熱體出口